光纖大電流傳感器研究-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯光纖大電流傳感器研究-基礎(chǔ)電子0引言

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電力傳輸系統(tǒng)容量不斷增加，運(yùn)行電壓等級(jí)越來(lái)越高，不得不面對(duì)棘手的強(qiáng)大電流的測(cè)量問(wèn)題。儀表和二次儀表之間的電絕緣和信息傳遞的可靠性要求可能使傳統(tǒng)的測(cè)量手段無(wú)用武之地。而在高電壓、大電流和強(qiáng)功率的電力系統(tǒng)中，測(cè)量電流的常規(guī)技術(shù)所采用的以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的電流傳感器(簡(jiǎn)稱為CT)，暴露出一系列嚴(yán)重的缺點(diǎn)：由爆炸引起的災(zāi)難性事故的潛在危險(xiǎn)；大故障電流導(dǎo)致鐵芯磁飽和；鐵芯共振效應(yīng)；滯后效應(yīng)；輸出端開(kāi)路導(dǎo)致高壓；體積大、重量大、價(jià)格昂貴；精度無(wú)法做得很高；易受電磁干擾影響。傳統(tǒng)CT已難以滿足新一代電力系統(tǒng)在線檢測(cè)、高精度故障診斷、電力數(shù)字網(wǎng)等發(fā)展的需要將光纖傳感技術(shù)引入到電流檢測(cè)中的光纖電流傳感器(簡(jiǎn)稱OCS)成為解決上述難題的方法。

自從1973年，AJRogers首先提出光學(xué)電流傳感的想法以來(lái)，光纖傳感技術(shù)已發(fā)展了20多年。與普通電磁互感器相比，在高強(qiáng)電流測(cè)量應(yīng)用中光纖電流傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：光纖電流傳感器沒(méi)有磁飽和現(xiàn)象，也不像通常的電磁互感器的動(dòng)態(tài)工作范圍受磁飽和效應(yīng)的限制；光纖電流傳感器抵抗高電磁干擾，對(duì)環(huán)境的要求低；光纖電流傳感器可以在較寬的頻帶內(nèi)，產(chǎn)生高線性度響應(yīng)；光纖電流傳感器體積比較小，安裝使用比較方便等。

總之，光纖電流傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，尤其是它的絕緣性能好，體積小，成本低，并且頻帶寬，響應(yīng)時(shí)間短，可同時(shí)用于測(cè)量直流、交流及脈沖大電流，因此可望成為高壓下測(cè)量大電流的理想傳感器。

1傳感器原理及光路設(shè)計(jì)

光纖電流傳感器利用磁光材料的法拉第效應(yīng)，在光學(xué)各向同性的透明介質(zhì)中，外加磁場(chǎng)H可以使在介質(zhì)中沿磁場(chǎng)方向傳播的平面偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度通過(guò)檢偏器可確定。其原理如圖1所示，B為兩偏振器夾角，θ為平面光通過(guò)磁光晶體后發(fā)生的偏轉(zhuǎn)角。

其旋轉(zhuǎn)角θ與光傳播的磁光材料上的磁場(chǎng)中強(qiáng)度H和磁光材料的長(zhǎng)度L成正比：當(dāng)H一定時(shí)，旋轉(zhuǎn)的角度θ為：

θ=vHL(1)

式中：v為verdet常數(shù)；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；L為磁光玻璃長(zhǎng)度。通電長(zhǎng)直導(dǎo)線磁場(chǎng)公式：

H=I／2πr(2)

再由式(4)可得：當(dāng)P=P0時(shí)，Imax=2πrB／vL，只要角B越大，所能測(cè)的電流值也越大，所以在實(shí)驗(yàn)中常用增大角B的辦法來(lái)增大其測(cè)量范圍。但在實(shí)際中，角B的增大到一定值后會(huì)使光路的調(diào)焦變得更困難，并使小信號(hào)更難測(cè)量，在以往實(shí)驗(yàn)中一般取B=45°或相差不大的值。在該實(shí)驗(yàn)中選用2mw的激光器作調(diào)整光源，在次調(diào)焦時(shí)把磁光晶體的出射光投到1m外的地方以便消除可能出現(xiàn)的雙折射，并用光學(xué)膠密封各接合面，使光路調(diào)整更容易操作，因此角B選擇了80°。上式中，夾角B在傳感器完工后是定值，因此只要測(cè)得P，P0值就可得到電流值。

在光路設(shè)計(jì)中，采用圖2所示結(jié)構(gòu)。暗灰色的箭頭線表示光線在傳感器中的傳輸路徑：光源發(fā)出的光經(jīng)帶自聚焦透鏡的光纖進(jìn)入傳感器，通過(guò)蒸鍍反射膜的直角棱鏡的反射改變?yōu)榫€偏振光進(jìn)入磁光晶體，偏振面受磁場(chǎng)調(diào)制的線偏振光經(jīng)過(guò)檢偏器和對(duì)應(yīng)的直角棱鏡后通過(guò)另一帶自聚焦透鏡的光纖進(jìn)入光電探測(cè)器。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由式(4)可知，獲得P0，P即可得到被測(cè)電流值I。系統(tǒng)構(gòu)框圖如圖3所示。

其中，激光器采用恒流驅(qū)動(dòng)，提供32mA恒定電流。通過(guò)出光功率自動(dòng)控制電路，實(shí)現(xiàn)光功率反饋，將探測(cè)到的光電信號(hào)與激光器的驅(qū)動(dòng)電流比較，以達(dá)到及時(shí)調(diào)整激光器工作光功率抖動(dòng)的目的。

光檢測(cè)及放大部分電路實(shí)現(xiàn)了光／電轉(zhuǎn)換，并且對(duì)電信號(hào)放、濾波，以及分離直流信號(hào)和交流信號(hào)。原理框圖如圖4所示。

信號(hào)采集處理部分實(shí)現(xiàn)對(duì)直流信號(hào)和交流信號(hào)分別采集，進(jìn)行處理。記錄下未通電流時(shí)的直流信號(hào)U0，作為基準(zhǔn)值，U分別為帶有電流直流、交流信息的檢測(cè)值，經(jīng)過(guò)運(yùn)算分別出被測(cè)電流I的直流分量和交流分量。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在實(shí)驗(yàn)的傳感頭內(nèi)孔徑D1=2cm，外環(huán)直徑D2=5cm，底座(即圖2中的plinth)厚度h=1．1cm；準(zhǔn)直器是用能通過(guò)635nm紅光的光纖和聚焦透鏡制成；磁光晶體厚度d=2cm；verdet常數(shù)v=-1．17×10-3rad／A；光源輸出功率為1mW；實(shí)驗(yàn)中分別用連續(xù)電流和脈沖電流對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)時(shí)把器件一端接在光源輸出端，另一個(gè)接在輸入端，并把通電導(dǎo)線從缺口橫穿過(guò)去就可開(kāi)始測(cè)試。

3．1用連續(xù)交流電測(cè)實(shí)驗(yàn)

在用連續(xù)交流電測(cè)實(shí)驗(yàn)中通過(guò)瀆取光纖電流傳感器輸出的電壓與用標(biāo)準(zhǔn)器件測(cè)得的電流進(jìn)行比較，并把所得的電壓值等效為光纖電流傳感器的電流值。在實(shí)驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)器件使用的是電流互感器。表1是在某測(cè)試機(jī)構(gòu)中測(cè)得的數(shù)據(jù)。

將表1中的電流值作為橫坐標(biāo)，電壓值作為縱坐標(biāo)繪制成曲線，如圖5所示?？梢钥闯?，電壓與電流是近似成正比的。

從圖5的數(shù)據(jù)可看到在100～3000A范圍內(nèi)，系統(tǒng)具有良好的線性度。

3．2用脈沖電流測(cè)實(shí)驗(yàn)

由于一般測(cè)試機(jī)構(gòu)中很少測(cè)試上萬(wàn)安的交流電，圖6和圖7是在某測(cè)試院中用脈沖電流實(shí)驗(yàn)時(shí)在示波器上顯示的波形圖，上面曲線是通過(guò)光纖電流傳感器得到的波形，圖中曲線是通過(guò)電流互感器得到的波形。

圖6是用B=45°、峰值為32kA的脈沖電流實(shí)驗(yàn)得到的圖像。從圖中可看出光纖電流傳感器在10kA左右的波形突然向下凹陷。經(jīng)檢驗(yàn)是所測(cè)電流超過(guò)其測(cè)量范圍所致，即出現(xiàn)飽和失真。

圖7是B＝80°、峰值為32kA的脈沖電流實(shí)驗(yàn)得到的圖像。在圖中，用光纖電流傳感器測(cè)得的電流波形曲線沒(méi)有失真，并且與用電流互感器測(cè)得的波形線較好的吻合，說(shuō)明32kA的電流在其動(dòng)態(tài)范圍之中，并且響應(yīng)時(shí)間小于10μs。

綜合上述實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)在小電流測(cè)試時(shí)具有較好的線性度和穩(wěn)定性。在大電流測(cè)試中，次測(cè)試出現(xiàn)了飽和失真，第二次用增大角B的方法解決了失真的問(wèn)題，并且動(dòng)態(tài)范圍較大，響應(yīng)時(shí)間短。其實(shí)．由式(4)還可看出，通過(guò)增大verdet常數(shù)v，或磁光晶體長(zhǎng)度L還可以使測(cè)量范圍變得更大，但這就需要重新定制、加工磁光晶體，使成本更高和制作時(shí)間更長(zhǎng)。故次出現(xiàn)飽和失真后選擇了增大角B的方法。

4結(jié)語(yǔ)